棉花驯化中花色苷合成基因的进化

发布时间：2019-01-28 19:21

【摘要】：广泛存在于植物体内的次生代谢产物——花色苷,属于类黄酮类的天然化合物。这种化合物既可作为“自然染色剂”使植物花、果实等器官着色,也可因其具有抗氧化性而在植物防御各类病虫害和避免紫外线损伤等方面承担重要功能。此外,由于花色苷在抗癌、抑菌、预防心血管疾病等方面均具有重要作用,该化合物在医药、食品和保健等方面的价值也日渐被世人所关注。尽管国内外学者已对诸多二倍体模式植物中的花色苷合成代谢途径进行了深入地研究,但有关驯化的异源多倍体中该代谢途径的遗传改变还未有涉及。本实验以基因组为AADD的异源四倍体陆地棉(Gossypium hirsutum L.)作为实验材料,在对比分析其栽培品种和野生变种(G.hirsutum L.var.yucatanense Hutch.)形态差异的基础上,对其花色苷合成代谢途径中的7个结构基因(查尔酮合成酶基因CHS、查尔酮异构酶基因CHI、黄烷酮-3-羟化酶基因F3H、类黄酮-3?-羟化酶基因F3?H、二氢黄酮醇-4-还原酶基因DFR、花青素合成酶基因ANS和类黄酮-3-O-转葡糖基酶基因UFGT)的同源拷贝的序列差异与表达分化进行了全面比较,主要研究内容及结果如下:1、通过形态观察,发现栽培棉花的植株矮壮、枝叶的颜色呈深绿色、有毛,花期早、花蕾大而多、花瓣纯色、基部无花斑,棉铃大、纤维长而颜色洁白;而野生变种的植株高大细长、枝叶颜色鲜绿、无毛,营养生长突出,花期晚、花蕾小而少、花瓣基部有花斑,棉铃小,纤维短且颜色偏棕黄。2、基于陆地棉转录组数据,对栽培棉花在花色苷代谢途径中的7个结构基因(CHS、CHI、F3H、F3?H、DFR、ANS、UFGT)的编码序列进行了识别。利用BLAST方法,将这些编码序列定位到已经释放的陆地棉全基因组上,并以此对这些基因的结构和染色体分布进行了确定。同时,通过对分别具有AA和DD基因组的亚洲棉(Gossypium arboreum L.)及雷蒙德氏棉(Gossypium raimondii Ulbr.)同源基因的系统发育分析,进一步确认和区分了这7个基因在陆地棉内具有A基因组和D基因组的同源拷贝(homoeolog)。3、利用全基因组重测序技术,比较了野生和栽培棉花在7个结构基因编码序列上的差异,结果发现二者之间仅在CHS、CHI、F3H等基因的同源对间存在1-5个的SNP,而在F3?H、DFR、UFGT基因的同源对间无SNP差异。这个结果体现了这些基因在野生和栽培棉花中间享有高度的序列保守性。4、利用荧光实时定量PCR的方法,比较了7个结构基因在栽培和野生棉花叶片中的表达情况,结果发现,6个基因的表达水平在栽培棉花中均明显下降,其中,F3?H基因的表达量下降的最多,其表达水平较野生棉花大约下降了5倍,显示了在正常状态下,野生棉花叶中的花色苷与类黄酮物质合成较栽培棉花更为旺盛。另外,在蚜虫胁迫的条件下,栽培棉花在第三周才出现多个花色苷结构基因表达上调现象,而野生棉花在第二周就出现了类似现象,说明在抵抗虫害方面,花色苷合成途径在野生棉花中比在栽培棉花中的应激反应更快。5、由于花色苷代谢途径下各关键酶的编码基因可能涉及多个位点,并且在异源多倍体中,每个位点下还可能同时拥有双亲基因组的同源拷贝,因此,陆地棉中各关键酶编码基因的进化相当复杂。鉴于此,本研究以二氢黄酮醇-4-还原酶的编码基因为例,利用转录组数据,全面研究了其编码基因在栽培和野生陆地棉的多器官或组织(叶、花瓣、种子和纤维)中的表达情况。分析发现,陆地棉中编码该酶的基因有两个位点:DFR1和DFR2,每个位点又各自包括A和D基因组的2个homoeologs。转录组数据的定量比较显示,这4个homoeologs在栽培和野生棉花的不同器官或组织上存在复杂的时空分化表达现象。6、为探究花色苷代谢途径中各基因在栽培与野生棉花中表达差异的可能遗传机制,利用二代DNA重测序的方法,对诸基因启动子序列变异进行了分析,结果发现,相对于栽培棉花,野生棉花在CHI、ANS和DFR2基因的上游启动子区均存在插入或缺失(In Del)突变。由于启动子区序列的碱基变异会造成基因表达的改变,因此这些InDels值得引起重视。但是,是否这些In Dels就是引发相关基因在栽培和野生棉花间产生表达差异的遗传原因,需要今后更多实验的验证。综上,花色苷代谢途径中的结构基因在陆地棉中并没有因为驯化而产生明显的序列分歧,但在表达上却出现差异,说明驯化对该代谢途径的遗传改变更多体现在表观水平而非基因本身的遗传突变。目前的研究结果为更深入地了解驯化对异源多倍体功能基因的序列与表达模式影响以及今后从花色苷合成代谢途径上对栽培棉花进行品种升级与改良提供了重要的分子依据。
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【学位授予单位】：曲阜师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S562

【参考文献】